尼泊尔高地震危险区 抗震规范是怎样的

与五年前在一次7.0级地震中有25万人丧生的中美洲国家海地所不同的是，横卧在喜马拉雅-阿尔卑斯地震带上的尼泊尔是有建筑抗震设计规范的。虽然尼泊尔是公认是高地震危险性地区，但直到1988年一次里氏6.7级地震夺去了约880名尼泊尔人的生命之后，尼泊尔政府及社会各界才倍感建筑规范之重要。于是在联合国和新西兰、加拿大、美国等国专家的帮助下，在加德满都当地工程师的协助下，在适当参考印度规范（OMG！）的基础上，尼泊尔于1994年颁布了一系列国家建筑规范。其中便包括正文长达26页的建筑抗震设计规范（NBC150, 1994）。26页是什么概念？我国最早由国人自己制定的抗震规范（78规范）的正文有40多页，89规范的正文增加到上百页，现行的2010版规范的正文有140页。2003年尼泊尔对这个规范体系进行过一次全面修订。可惜我没找到新版的抗震规范。虽然规范的厚度体现了该国在该领域投入的人力物力的多少，但我不是说规范越厚越好。尼泊尔短短26页的规范其实已经把一本抗震规范应该做两件事情都讲了——在什么程度的地震作用下建筑物的地震反应不能超过什么限值。在大家心系尼泊尔地震灾区的同时，不妨简单浏览一下尼泊尔建筑抗震设计的基本要求。




1. 地震作用
　　NBC150要求所有建筑面积超过20平米或高度超过5米的建筑，以及所有公众建筑，都应进行抗震设计。与目前世界主流的抗震规范一样，NBC150的抗震设计也是以延性设计为基础。地震作用效应与恒载、活载作用效应的组合也与其他国家规范类似。地震作用效应的计算可以采用基底剪力法，也可以采用振型分解反应谱法。闲话休叙，来看看设计反应谱吧。


　设计反应谱值（地震影响系数）Cd按下式计算：
Cd = C * Z * I * K
其中C是基本的设计反应谱，是自振周期的函数；Z是地域系数；I是结构重要性系数；K是结构体系系数。


　　基本设计反应谱C(T)如下图所示。图中粗实线为NBC150中对三种不同场地规定的基本设计反应谱。平台段高度与我国7度小震反应谱一致，下降段也与我国规范反应谱类似，但平台段明显比我国规范反反应谱来得长。比如，NBC150中I类场地（岩石）的基本设计反应谱与我国7度II类场地（第二组）的设计反应谱基本一致。什么？只相当于我国的7度设防？不要惊慌。当年Ms8.0级汶川地震灾区也基本上都是7度设防。



　　Z是地域系数。像日本一样，这样的弹丸小国也要做区划，简直可以忽略。如下图所示，全尼泊尔的Z值也不过从0.8变化到1.1。这次8.1级地震震中附近的两个大城市博克拉和加德满都都位于Z=1.0的区域。

　　这个区划图当然也是有个说法——是以地震危险性分析为基础的。下图是重现期500年的峰值地面加速度（PGA）等值线图。可见，包含加德满都和博克拉在内的广大地区的PGA在0.36~0.38g左右。且慢！刚才说了NBC150中规定的基本设计反应谱大致相当于（略高于）我国7度设防的水平。但这里由地震危险性分析得到的重现期500年的PGA却远远高于我国7度、甚至8度区的设计地震PGA，而接近于我国8度区罕遇地震（重现期约2500年）的水平！


硬土场地500年重现期的地面峰值加速度（单位：g）来源：R.D.Sharpe and R.D.Jury, 12WCEE, 2000.



　　还剩下两个系数。重要性系数I就不说了，对于大部分普通建筑I=1.0。结构体系系数K在一定程度上反映了对结构延性的考虑。NBC150规定，对于延性框架结构和框架-剪力墙结构，K=1.0；对于钢支撑框架或含有钢筋混凝土填充墙的框架结构，K=1.5；对于含有砌体填充墙的框架结构，K=2.0；对于砌体结构，则要求K=4.0。可见，这个K系数的作用类似于美国规范体系中的R系数，或者我国78规范中的结构影响系数C。不管其取值合不合理，起码反映了结构体系延性的差异。从这一点上来说，NBC150比我国抗震规范的概念更清晰，更准确。


2. 位移限值
　　NBC150要求结构的非线性位移对应的层间位移角不超过1/100。当然不会要求真的通过非线性分析去计算非线性位移，而是简单地以上述地震作用下结构的弹性变形乘以(5/K)的放大系数作为非线性位移的估计值。比如延性框架结构的K=1.0，这样相当于要求其在小震作用下的层间位移角不超过1/500，与我国规范的位移限值类似。从延性设计的角度来讲，（5/K）的放大系数在一定程度上表征了结构体系的预期的延性系数。


　　这样一来，延性抗震设计的基本内容实际上都有了规定，即在指定的地震作用下，结构应能够抵抗地震作用与其他荷载的组合效应；同时应满足相应的位移限值。但是规范和现实之间总是有一段距离，对于尼泊尔这样不发达的国家尤其如此。据说尼泊尔90%以上的房屋都是自建房，而只有5%的建筑是正规设计正规施工的。倒是与我国国情比较相似。不仅如此，尼泊尔当地的房屋结构形体似乎也与我国类似——砌体结构居多，框架结构柱子纤细。这样看来，这次8.1级地震对我国西南地区的建筑抗震问题应该很有的借鉴意义。然而没有调查就没有发言权。只好在这里放几张网友贴出来的照片草草收场。

可以明显地看到较多的圈梁和构造柱，但是构造柱上没有设置马牙茬。（来源：Sushil Prajapati@Facebook）



中部远处的4层小楼设置了圈梁和构造柱，底层沿街开敞，二层未设置圈梁。（来源：Sushil Prajapati@Facebook）

设置了圈梁、构造柱的砌体结构整体倾倒。（来源：Sushil Prajapati@Facebook）



似曾相识的Pancake collapse。（来源：Sushil Prajapati@Facebook）

关于尼泊尔自建混凝土框架结构的补充


　　以上简要介绍了尼泊尔非常简要的抗震规范，但同时也提到，尼泊尔估计约有90%以上的房屋是没有经过正规设计的，更谈不上抗震设计了[1]。据说，只有在加德满都等少数城市的市区会有专业的施工队，其他地区的房屋都是人民自建，与我国农村地区的情况非常相似。自上世纪70年代以来，尼泊尔开始出现越来越多的钢筋混凝土框架结构房屋，现在这种结构形式已经成为主流。那么，人民自建的钢筋混凝土框架结构能长成什么样呢？Chaulagain等人在2013年发表于Engineering Structures上的一篇文章给出了一个典型的结构布置非常规整的实例[2]。哲·设计三维呈现如下。





　　这是一栋3层框架，纵向跨度4米，横向跨度3米，层高3米。据说在尼泊尔当地非常具有代表性。所有柱截面均230mm见方，与砖墙同厚，且均配置6根直径10mm钢筋，钢筋名义屈服强度约400MPa。混凝土强度等级大致相当于我国的C25级。如此纤细的“框架柱”充其量算是构造柱。其全截面纵筋配筋率尚不足1%，连我国抗震规范中关于砌体结构构造柱的配筋要求都无法满足。相比之外，梁却更像是真正的框架梁，不但325mm的截面高度远远超过柱子，6根圆12的纵筋也使柱子相形见绌。根据配筋率和截面高度可以大致的估算梁和柱的受弯承载力。梁的受弯承载力大致为柱的2倍。是典型的“强梁弱柱”框架。当不考虑填充墙的刚度贡献时，这个3层框架的在纵横两个方向的基本周期均长达0.8秒左右[2]，可见其刚度之低。


　　在这样柔软的“框架”结构中，砖砌体填充墙的承载力和刚度无疑会显著地影响结构的受力性能。根据文献[2]介绍，尼泊尔惯用230mm厚砖墙作为外围护墙，而采用115mm砖墙作为内隔墙。这与我国农村地区的做法非常相似。现在再回头来看上一篇博文中贴的几张照片，会发现原来那些都不是我们以为的“约束砌体结构”，而是所谓的钢筋混凝土框架结构！这也完美地解释了为什么“构造柱”和砖墙之间没有设置马牙茬。